נחש רובוטי בעל השראה ביולוגית: 16 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

קיבלתי השראה להתחיל בפרויקט זה לאחר שראיתי סרטוני מחקר של שניהם נחשים רובוטיים מטפסים על עץ ועל צלופחים רובוטיים. זהו הניסיון הראשון שלי ובניית רובוטים באמצעות תנועה נחשנית, אבל זה לא יהיה האחרון שלי! הירשם ל- YouTube אם תרצה לראות התפתחויות עתידיות.

להלן אפרט את בנייתם של 2 נחשים שונים יחד עם הקבצים להדפסה תלת-ממדית ודיון על הקוד והאלגוריתמים להשגת תנועה דמוית נחש. אם ברצונך להמשיך ללמוד יותר, לאחר קריאת ההנחיה הזו הייתי מציע לקרוא את הקישורים שבקטע הפניות בתחתית הדף.

המדריך הזה הוא מבחינה טכנית 2-in-1, בכך שאני מסביר כיצד להכין 2 גרסאות שונות של נחש רובוטי. אם אתה מעוניין רק לבנות את אחד הנחשים התעלם מההנחיות של הנחש השני. 2 הנחשים השונים האלה יופנו מכאן והלאה תוך שימוש במשפטים הבאים לסירוגין:

1. נחש ציר יחיד, נחש 1D, או נחש צהוב ושחור
2. נחש ציר כפול, נחש דו ממדי או נחש לבן

כמובן שניתן להדפיס את הנחשים בכל נימה צבעונית שתרצו. ההבדל היחיד בין שני הנחשים הוא שבנחש הדו מימד כל מנוע מסתובב 90 מעלות ביחס לקודמו, בעוד שבנחש 1D כל המנועים מיושרים בציר יחיד.

הקדמה אחרונה היא שבעוד שלכל אחד מהנחשים שלי יש רק 10 סרוו אפשר להכין את הנחשים עם פחות או יותר סרוו. דבר אחד שכדאי לקחת בחשבון הוא שעם פחות סרווס תשיג תנועה פחות מוצלחת, ועם יותר סרווס סביר להניח שתצליח יותר בתנועת הנחש אבל תצטרך לשקול עלות, משיכה שוטפת (ראה הערות מאוחרות יותר) ומספר הסיכות זמין ב- Arduino. אל תהסס לשנות את אורך הנחש, אולם זכור כי יהיה עליך גם לשנות את הקוד כדי להסביר את השינוי הזה.

שלב 1: רכיבים

זוהי רשימת חלקים לנחש יחיד, אם אתה רוצה להכין את שני הנחשים תצטרך להכפיל את נפח הרכיבים.

• 10 סרוו MG996R*
• נימה להדפסה תלת מימדית בגודל 1.75 מ"מ
• 10 מיסבי כדור, חלק מספר 608 (חילצתי את שלי מהשפה החיצונית של ספינרי פידג'ט Jitterspin)
• 20 מיסבים כדורים קטנים, מספר R188, לגלגלים ** (חילצתי את שלי מהחלק הפנימי של ספינרים של Jitterspin)
• 40 ברגי ראש פיליפס 6-32 x 1/2 אינץ '(או דומה)
• 8 ברגים ארוכים יותר (אין לי מספר חלק אך הם בקוטר זהה לברגים למעלה)
• לפחות 20 חלקים של זיפסים בגודל 4 אינץ '(תלוי בך בכמה אתה רוצה להשתמש)
• 5 מ 'כל אחד מחוטי 20 מד אדומים ושחורים או עבים יותר ***
• חוט 22 סטנדרטי
• 30 סיכות כותרת זכריות (מחולקות ל -10 חלקים של 3)
• ארדואינו ננו
• חלקים מודפסים בתלת מימד (ראה סעיף הבא)
• סוג כלשהו של כוח (ראה הפרק: "הפעלת הנחש" למידע נוסף), אני אישית השתמשתי באספקת כוח ATX שונה
• קבלים אלקטרוליטיים של 1000uF 25V
• צינור כיווץ חום בגדלים שונים, הלחמה, דבק וכלים שונים אחרים

*אתה יכול להשתמש בסוגים אחרים, אך יהיה עליך לעצב מחדש את קבצי התלת -ממד כך שיתאימו לסרווואים שלך. כמו כן, אם תנסה להשתמש בסרווואים קטנים יותר כמו ה- sg90, ייתכן שתגלה שהם לא מספיק חזקים (לא בדקתי את זה וזה יהיה תלוי בך להתנסות).

** אתה לא צריך להשתמש במסבי כדורים קטנים לגלגלים, פשוט היה לי הרבה מקום להניח. לחלופין תוכל להשתמש בגלגלי LEGO או בגלגלי צעצוע אחרים.

*** חוט זה יכול להכיל עד 10 אמפר, דק מדי והזרם ימס אותו. עיין בדף זה למידע נוסף.

שלב 2: רכיבי הדפסה בתלת מימד

אם אתה עושה את הנחש הדו ממדי הדפס את החלקים האלה.

אם אתה עושה את הנחש הדו מימד הדפס את החלקים האלה.

הערה חשובה: הסולם עשוי להיות שגוי! אני מעצב את הרכיבים שלי ב- Fusion 360 (ביחידות מ מ), ייצא את העיצוב כקובץ.stl לתוכנת MakerBot ולאחר מכן הדפסתי אותו על מדפסת Qidi Tech (גרסת שיבוט של MakerBot Replicator 2X). אי שם לאורך זרימת העבודה הזו יש באג וכל ההדפסים שלי יוצאים קטנים מדי. לא הצלחתי לזהות את המיקום של הבאג אבל יש לי תיקון זמני של שינוי כל הדפסה לגודל 106% בתוכנת MakerBot, זה פותר את הבעיה.

לאור זאת, הזהר שאם תדפיס את הקבצים למעלה הם עשויים להיות מוקדמים בצורה לא נכונה. אני מציע להדפיס רק חתיכה אחת ולבדוק אם היא מתאימה לשרת ה- MG996R שלך לפני הדפסת כולם.

אם אכן תדפיס אחד מהקבצים אנא הודע לי מה התוצאה: אם ההדפסה קטנה מדי, בדיוק, גדולה מדי ובכמה אחוזים. על ידי עבודה משותפת כקהילה אנו יכולים לפתור את מיקומו של הבאג באמצעות מדפסות תלת -ממד שונות וחותכות.stl. לאחר שהבעיה תיפתר אעדכן את הסעיף הזה ואת הקישורים למעלה.

שלב 3: הרכבת הנחשים

תהליך ההרכבה זהה לרוב לשתי הגרסאות של הנחש. ההבדל היחיד הוא שבנחש הדו מימד כל מנוע מסתובב 90 מעלות ביחס לקודמו, בעוד שבנחש 1D כל המנועים מיושרים בציר יחיד.

התחל על ידי הברקת סרוו, שמור את הברגים והסר את החלקים העליונים והתחתונים של מסגרת הפלסטיק השחורה, והקפד לא לאבד אף אחד מההילוכים! החלק את הסרוו לתוך המסגרת המודפסת בתלת -ממד, מכוונת כמו בתמונות למעלה. החזר את החלק העליון של מארז הסרוו, והברג אותו במקומו בארבעה ברגים של 6-32 1/2 . שמור את החלק התחתון של מסגרת הסרוו (למקרה שתרצה להשתמש בו שוב בפרויקטים מאוחרים יותר) והחלף אותו בתלת מימד מארז מודפס, ההבדל היחיד הוא הידית הנוספת של מיסב כדורים להחליק מעל. הברג את הסרוו בחזרה, חזור על הפעולה 10 פעמים.

חשוב: לפני שתמשיך עליך להעלות קוד ל- Arduino ולהעביר כל סרוו ל 90 מעלות. אי ביצוע זה עלול לגרום לשבירת סרוו אחד או יותר ו/או המסגרות המודפסות בתלת מימד. אם אינך בטוח כיצד להעביר סרוו ל- 90 מעלות עיין בדף זה. ביסודו של דבר, חבר את החוט האדום של הסרוו ל- 5V בארדואינו, את החוט החום ל- GND ואת החוט הצהוב לפין הדיגיטלי 9, ולאחר מכן העלה את הקוד בקישור.

כעת, כאשר כל סרוו עומד על 90 מעלות, המשך:

חבר את 10 הקטעים על ידי החדרת הכפתור המודפס בתלת מימד ממארז סרוו אחד לתוך החור של פיסת קטע שנייה, ולאחר מכן דחף במעט כוח את ציר הסרוו לתוך החור שלו (ראה תמונות למעלה וסרטון להבהרה). אם אתה יוצר את הנחש הדו -ממדי, כל הקטעים צריכים להיות מיושרים, אם אתה עושה את הנחש הדו -ממדי, כל קטע צריך להסתובב 90 מעלות לפלח הקודם. שים לב שהזנב ומסגרת הראש הם רק חצי מאורך הקטעים האחרים, חבר אותם אך אל תגיב על החלקים בצורת הפירמידה עד לאחר שסיימנו את החיווט.

חבר את זרוע סרוו בצורת x והברג אותה למקומה. החלק את מיסב הכדור מעל הכפתור המודפס בתלת מימד, הדבר ידרוש סחיטה עדינה של 2 העמודים החצי-עיגולים יחדיו. תלוי באיזה מותג נימה אתה משתמש וצפיפות המילוי, העמודים עשויים להיות שבירים מדי ומהודקים, אני לא חושב שזה יהיה המקרה אבל בכל זאת אל תפעיל כוח מופרז. אני אישית השתמשתי בנימה PLA עם מילוי של 10%. ברגע שמיסב הכדור מופעל, הוא אמור להישאר נעול על ידי התלויים שבכפתור.

שלב 4: מעגל

המעגל זהה לשני הנחשים הרובוטיים. במהלך תהליך החיווט ודא שיש מספיק שטח חיווט לכל קטע לסיבוב מלא, במיוחד בנחש הדו מימד.

למעלה תרשים מעגל לחיווט עם 2 סרוו בלבד. ניסיתי לצייר מעגל עם 10 סרוו אבל זה היה צפוף מדי. ההבדל היחיד בין התמונה הזו לבין החיים האמיתיים הוא שאתה צריך לחבר עוד 8 סרוואות במקביל ולחבר את חוטי האות PWM לסיכות בארנונו ננו.

בעת חיווט קווי החשמל השתמשתי בחתיכה אחת של חוט 18 מד (עבה מספיק כדי לעמוד ב -10 אמפר) כקו 5V הראשי שעובר לאורך הנחש. באמצעות חשפניות תיל הסרתי קטע קטן של מבודד ב -10 מרווחים קבועים, והלחמתי פיסת חוט קצרה מכל אחד מהמרווחים האלה קבוצה של 3 סיכות כותרת זכריות. חזור על הפעולה בפעם השנייה עבור חוט ה- GND השחור 18 מד וסיכת כותרת גברית שנייה. לבסוף הלחמה חוט ארוך יותר לסיכת הכותרת הגברית השלישית, סיכה זו תישא את אות ה- PWM אל הסרוו מהארדואינו ננו בראש הנחש (החוט חייב להיות ארוך מספיק כדי להגיע אליו, גם כאשר הקטעים מתכופפים). צרף צינור כיווץ חום כנדרש. חבר את 3 סיכות הכותרת הזכרית ואת 3 סיכות הכותרת הנשיות של חוטי הסרוו. חזור על הפעולה 10 פעמים עבור כל אחד מ -10 הסרוות. בסופו של דבר מה זה משיג הוא חיווט הסרווס במקביל והפעלת חוטי אות PWM לננו. הסיבה לסיכות הכותרת זכר/נקבה הייתה כך שתוכל לפרק קטעים בקלות ולהחליף סרוו אם הם נשברים מבלי לפענח הכל.

הלחם את חוטי ה- GND ו- 5V ללוח פרפר 3x7 חור בזנב עם קבלים ומסופי בורג. מטרת הקבל היא להסיר את כל קפיצי המשיכה הנוכחיים הנגרמים בעת הפעלת סרוו, שיכולים לאפס את הארדואינו ננו (אם אין לך קבל סביר להניח שאתה יכול לברוח בלעדיו, אבל עדיף להיות בטוח). זכור כי החוט הארוך של קבלים אלקטרוליטיים צריך להיות מחובר לקו 5V והשיניים הקצרים יותר לקו GND. הלחם את חוט ה- GND לסיכת ה- GND של הננו ואת חוט ה- 5V לסיכה של 5V. שים לב אם אתה משתמש במתח אחר, (ראה סעיף הבא), אמור סוללת ליפו עם 7.4V, ואז חבר את החוט האדום לסיכת Vin, לא לסיכה 5V, פעולה זו תהרוס את הסיכה.

הלחם את 10 חוטי האות PWM לסיכות ב- Arduino Nano. חיברתי את שלי לפי הסדר הבא, אתה יכול לבחור לחבר את שלך בצורה שונה אך רק זכור כי לאחר מכן יהיה עליך לשנות את שורות servo.attach () בקוד. אם אינך בטוח על מה אני מדבר פשוט העבר אותו לאותו הדבר כמוני ולא יהיו לך בעיות. על מנת שהסרוו שבזנב הנחש ועד לראש הנחש, חיברתי את שני הנחשים שלי בסדר הבא. חיבור סיכות האות ל: A0, A1, A2, A3, A4, A5, D4, D3, D8, D7.

השתמש בזיפסים לניקוי החיווט. לפני שתמשיך לבדוק שכל הקטעים יכולים לנוע עם מספיק מקום לתנועה של החוטים מבלי להיפרק. כעת, לאחר שהחיווט נעשה, אנו יכולים להבריג את המכסים בצורת פירמידה בראש ובזנב. שים לב שלזנב יש חור ליציאה מהקרש ולראש יש חור לכבל התכנות Arduino.

שלב 5: הפעלת הנחש

מכיוון שהשרווסים מחוברים במקביל, כולם מקבלים את אותו המתח, אך יש להוסיף את הזרם. כאשר מסתכלים על גליון הנתונים של סרווו MG996r הם יכולים לצייר עד 900mA כל אחד במהלך ההפעלה (בהנחה שאין תקנה). לפיכך, סך המשיכה הנוכחית אם כל 10 הסרווואים נעים במקביל היא 0.9A*10 = 9A. כמתאם רגיל מסוג 5V, 2A לשקע קיר לא יעבוד. החלטתי לשנות ספק כוח ATX, המסוגל ל 5v ב 20A. אני לא מתכוון להסביר כיצד לעשות זאת, מכיוון שכבר דנו בו רבות ב- Instructables וביוטיוב. חיפוש מהיר באינטרנט יראה לך כיצד לשנות אחד מספקי הכוח הללו.

בהנחה ששינית את אספקת החשמל, זה פשוט מקרה של חיבור קשירה ארוכה בין ספק הכוח לבין מסופי הבורג על הנחש.

אפשרות נוספת היא להשתמש בסוללת ליפו המשולבת. לא ניסיתי את זה אז זה יהיה תלוי בך לתכנן תושבת לסוללות ולחבר אותם. זכור את מתח ההפעלה, משיכה הנוכחית של הסרוווס והארדואינו (אין להלחים שום דבר מלבד 5V כדי את סיכת 5V בארדואינו, עבור לסיכת Vin אם יש לך מתח גבוה יותר).

שלב 6: בדוק הכל עובד

לפני שתמשיך פשוט נבדוק הכל עובד. תעלה את הקוד הזה. הנחש שלך צריך להזיז כל סרוו בנפרד בין 0-180 ולאחר מכן לסיים על ידי הנחתו בקו ישר. אם זה לא קורה אז משהו לא בסדר, סביר להניח שהחיווט לא תקין או שהסרווס לא היו מרוכזים בתחילה ב 90 מעלות כאמור בסעיף "הרכבת הנחשים".

שלב 7: קוד

אין כרגע שלט רחוק לנחש, כל התנועה מתוכנתת מראש ותוכל לבחור מה שאתה רוצה. אני אפתח שלט רחוק בגרסה 2, אבל אם אתה רוצה לשלוט בו מרחוק הייתי מציע לבדוק הדרכות אחרות בנושא Instructables ולהתאים את הנחש כך שיתאים לבלוטות '.

אם אתה עושה את הנחש הדו מימד העלה קוד זה.

אם אתה עושה את הנחש הדו מימד העלה קוד זה.

אני ממליץ לך לשחק עם הקוד, לבצע שינויים משלך וליצור אלגוריתמים חדשים. קרא את מספר הסעיפים הבאים להסבר מפורט על כל סוג של תנועה וכיצד הקוד עבורו עובד.

שלב 8: סולמות מול גלגלים

אחת הדרכים העיקריות שבהן נחשים מסוגלים לנוע קדימה היא באמצעות צורת הכף שלהם. המאזניים מאפשרות תנועת קדימה קלה יותר. להסבר נוסף צפו בסרטון זה החל מהשעה 3:04 ואילך כדי לראות כיצד קשקשים עוזרים לנחש להתקדם. הסתכלות על 3:14 באותו סרטון מציגה את ההשפעה כאשר הנחשים נמצאים בשרוול, ומסירים את חיכוך המאזניים. כפי שמוצג בסרטון היוטיוב שלי כשהנחש הרובוטי 1D מנסה להחליק על דשא ללא קשקשים, הוא לא זז קדימה או אחורה מכיוון שהכוחות מסתכמים לאפס נטו. ככזה עלינו להוסיף כמה קשקשים מלאכותיים לבטן הרובוט.

מחקר בשחזור תנועה באמצעות קשקשים נעשה באוניברסיטת הרווארד והודגם בסרטון זה. לא הצלחתי לתכנן שיטה דומה להזיז את הכף למעלה ולמטה על הרובוט שלי ובמקום זאת הסתפקתי בחיבור קשקשים פסיביים מודפסים בתלת מימד לבטן.

לרוע המזל זה הוכח כלא יעיל (ראו בסרטון היוטיוב שלי בשעה 3:38) מכיוון שהקשקשים עדיין דלגו על פני השטיח במקום לתפוס את הסיבים ולהגדיל את החיכוך.

אם ברצונך להתנסות בקשקשים שיצרתי תוכל להדפיס תלת -ממד את הקבצים מה- GitHub שלי. אם אתה מייצר בעצמך בהצלחה, יידע אותי בתגובות למטה!

בעזרת גישה אחרת ניסיתי להשתמש בגלגלים העשויים ממסבי כדורי r188 עם צינורות כיווץ חום מבחוץ כ'צמיגים '. אתה יכול להדפיס תלת -ממד את צירי הגלגלים מפלסטיק מתוך קבצי.stl ב- GitHub שלי. הגלגלים אמנם אינם מדויקים ביולוגית, אך הם מקבילים לקשקשים בכך שהסיבוב קדימה קל אך התנועה מצד לצד קשה משמעותית. אתה יכול לראות את התוצאה המוצלחת של הגלגלים בסרטון היוטיוב שלי.

שלב 9: תנועת החלקה (נחש ציר יחיד)

פרס ראשון בתחרות עשה זאת לזוז